基于卡塞格林系统的望远物镜设计(ZEMAX)

工程光学课程设计报告班级：姓名：学号：成绩：指导教师：报告日期：目录摘要 (i)第一章绪论 (1)1.1课程设计题目 (1)1.2 设计要求 (1)第二章望远物镜的设计与相关参数 (2)2.1 望远物镜的主要参数 (2)2.2 望远物镜结构类型 (3)2.3 物镜的光学特性 (4)2.3 卡塞格林光学系统 (4)2.4 ZEMAX中的像质评价方法 (5)第三章设计与优化 (9)3.1设计过程 (9)3.2优化过程 (12)第四章运用Solid works对镜片进行绘制 (16)第五章新得与体会 (18)主要参考文献 (19)摘要由薄透镜组的初级像差理论入手，根据初级像差参量PW与透镜折射率n、孔径半径r、厚度d等关系，求出了满足初始设计的结构参数的透镜折射率n、孔径半径r、厚度d、形状系数Q、曲率p。

用光学设计软件ZEMAX对所求的结构参数进行了优化。

光学设计要完成的工作包括光学系统设计和光学结构设计。

所谓光学设计就是根据系统所提出的使用要求，来决定满足各种使用要求的数据，即设计出光学系统的性能参数、外形尺寸、各光组的结构等。

大体可以分为两个阶段。

第一阶段根据仪器总体的要求，从仪器的总体出发，拟定出光学系统原理图，并初步计算系统的外形尺寸，以及系统中各部分要求的光学特性等。

第二阶段是根据初步计算结果，确定每个透镜组的具体结构参数，以保证满足系统光学特性和成像要求。

这一阶段的设计成为―相差设计‖，一般简称光学设计。

评价一个光学系统的好坏，一方面要看它的性能和成像质量，另一方面要系统的复杂度。

一个系统设计的好坏应该是在满足使用要求的情况下，结构设计最简单的系统。

第一章绪论1.1课程设计题目基于卡塞格林的望远物镜设计1.2 设计要求（1）入瞳直径：D=20mm；（2）相对孔径D/f’=1/6.15;（3）视场角2ω=7°；（4）在可见光波段设计（取d、F、C三种色光。

d为主波长）；（5）MTF值在67lp/mm处大于0.40；（6）要求给出用ZEMAX优化减小球差和轴向色差的方法。

第二章望远物镜的设计与相关参数2.1 望远物镜的主要参数1.出瞳直径：光线经过目镜汇聚后，在目镜后形成的亮斑的直径；2.出瞳距离：出瞳到目镜最后一个表面的距离就是出瞳距离；3.放大率：望远镜的放大率是指视放大率，视放大率是指当人眼分别通过望远系统观察和直接观察同一物体时，在人眼视网膜上成像的大小之比，即；4.视场：望远镜的视场是指人眼通过该仪器所能见到的物空间的最大范围，用所能见到的物空间最大范围的边缘向入瞳中心所引的张角的角度值来表示望远镜的物方视场，像方视场用''tgw Dtgw DΓ==像空间的边缘向出瞳中心所引的张角的角度值来表示；5.通光孔径:限制通过望远镜光能的图形框子（一般是物镜框）叫做入射瞳孔（简称入瞳），亦即望远镜物镜的通光孔径D。

6.分辨率：望远镜的分辨率用它所能分辨的物方无限远两个物点对望远镜物镜中心的张角∝表示（单位：秒）。

望远镜的分辨率直接与入射瞳孔直径有关。

入射瞳孔直径（一般为物镜通光孔径）越大，望远镜分辨率就越高，观察的物体就越清晰。

7.透过率：望远镜的透过率影响所观察物体的亮度。

透过率与多种因素（如玻璃对光的吸收，光学表面透射时的反射损失，光散射等）有关。

特别是光学表面透射时的反射损失对透过率影响最大同时也影响成像清晰度。

因此，望远镜的光学镜片与空气接触的表面都要渡减反射膜（增透膜）。

镀的膜系不同望远镜的透光效果会不一样（单层透过率约50%、双层透过率约65%、多层膜透过率可达85%以上），以镀宽带增透膜效果最佳。

但考虑价格因素一般只在光学零件数目较多或在较高档的望远镜中镀制宽带增透膜。

判别一个望远镜的透过特性，可以观察镜片反光情况，若反光严重，则透光差，成像就模糊。

2.2 望远物镜结构类型望远物镜分折射式、反射式和折反射式三类1、折射式物镜折射式物镜种类很多，主要有双胶合、双胶合-单、单-双胶合、三分离、对称和摄远6种。

其主要光学特性、特点如下：（a ）双胶合：视场为2ω＜10°，不同焦距适用的最大相对孔径f’/'D f 为： 50/13、150/14、300/16、1000/110。

（b ）双胶合-单：相对孔径D/f’为1/3~1/2，透镜口径D ＜100mm ，视场角2ω＜5°。

（c ）单-双胶合相对孔径D/f’为1/3~1/2.5，透镜口径D 小于100mm ，视场角2ω＜5°。

（d ）三分离相对孔径D/f’为1/2~1/1.5，视场角2ω＜4°。

（e ）对称式物镜：适合于短焦距、大视场、小相对孔径使用，f’＜50，D/f’＜1/5,2ω＜30°。

（f ）摄远（一）：由正、负两个分离薄透镜组构成，系统长度小于焦距，系统的相对孔径受前组相对孔径的限制。

（g ）摄远物镜（二）：由双胶合-厚弯月构成。

2、反射式和折反射式物镜反射式和折反射式物镜在大孔径、长焦距的望远系统中采用。

双反射面系统是应用较多的反射式物镜，主要有三种形式：一是卡塞格林系统，其主镜（大反射镜）是抛物面，副镜（小反射镜）是双曲面，成倒像，镜筒短；二是格里果里系统，其主镜仍是抛物面，副镜是椭球面，成正像，镜筒长。

三是牛顿系统：它是由一个抛物面主镜和一块与光轴成45°的平面反射构成。

抛物面能把无限远的轴上点在它的焦点成一个理想的像点。

第二个平面反射镜同样能理想成像。

折反射系统是卡塞格林系统的改进。

它是由球面主镜和校正透镜（又称校正板）组成。

2.3 物镜的光学特性2.3.1相对孔径不大在望远系统中，入射的平行光束经过系统后仍为平行光束，因此物镜的相对孔径（D/f’）和目镜的相对孔径（D’/f’）是相等的。

目前观察望远镜的出瞳直径D一般为4毫米左右，出瞳距离l’一般要求为20毫米左右。

为了保证出瞳距离，目镜的焦距f一般不能小于25毫米。

这样目镜的相对孔径为'41'256Df=≈，所以望远物镜的相对孔径一般小于15。

2.3.2 视场角较小望远物镜的视场角ω和目镜的视场角ω，以及系统的视放大率Γ之间关系为：tan'tanωω=Γ，目前常用的目镜视场2ω’大多在70°以下，这就限制了物镜的视场，通常望远物镜的视场不大于10°。

2.3 卡塞格林光学系统传统的‖卡塞格林望远镜有抛物面镜的主镜，和双曲面的次镜将光线反射并穿过主光学望远镜镜中心的孔洞，折叠光学的设计使镜筒的长度紧缩。

在小望远镜和照相机的镜头，次镜通常安装在封闭望远镜镜筒的透明光学玻璃板上的光学平台。

这样的装置可以消除蜘蛛型支撑架造成的"星状"散射效应。

封闭镜筒虽然会造成集光量的损失，但镜筒可以保持干净，主镜也能得到保护。

它利用双曲面和抛物面反射的一些特性，凹面的抛物面反射镜可以将平行于光轴入射的所有光线汇聚在单一的点上－焦点；凸面的双曲面反射镜有两个焦点，会将所有通过其中一个焦点的光线反射至另一个焦点上。

这一类型望远镜的镜片在设计上会安放在共享一个焦点的位置上，以便光线能在双曲面镜的另一个焦点上成像以便观测，通常外部的目镜也会在这个点上。

抛物面的主镜将进入望远镜的平行光线反射并汇聚在焦点上，这个点也是双曲线面镜的一个焦点。

然后双曲面镜将这些光线反射至另一个焦点图 2.3.12.4 ZEMAX中的像质评价方法2.4.1 光扇图由任一物点发出的不同孔径高的光线组分别在子午面内和弧矢面内，形成了子午形光线与弧矢扇形光线组，由这些扇形光线组描述跟像差有关的像质指标，可统称为Fans。

共有Ray Aberration、Optical path和Pupil Aberration三种。

2.4.2点列图反映任一物点发出充满入瞳的光锥，在像面上的交点弥散情况；通常以主光线与像面交点为原点，进行量化计算点列图的弥散情况，ZEMAX 在此基础上，还给出以虚拟的―质心‖、―平均‖为原点的量化点列图。

图 2.4.22.4.3 MTF调制传递函数既与光学系统的像差有关，又与光学系统的衍射效果有关，是光学传递函数（OTF）的模，曲线横轴表示像面上的空间频率，单位为1/mm，即每毫米多少对线，纵轴表示对这些黑白细实线物分辨的调制度；物理含义：应用傅里叶变换原理与光学系统相干成像理论，计算出镜头对逐渐变细的黑白线对分辨的调制度。

图 2.4.32.4.4 点扩散函数PSF--Point Spread Function,反映点物经过镜头系统后，因像差或衍射在像面上造成的扩散情况，横轴为像面上的线性尺度，纵轴为归一化能量（强度）分布；2.4.5波像差可用于小像差光学系统和大像差光学系统，同时因有瑞利标准（波像差小于λ/4波长，镜头系统成像质量接近理想），使波像差评价像质易被量化，只是对大像差系统时，可将波像差容限取成2-4倍的瑞利标准；波像差与视场有关，由一个视场物点发出充满入瞳面的光线，相当于一个球面波入射，经过镜头系统后，出射波面因像差的存在发生形变，表示存在波像差。

图 2.4.5第三章设计与优化3.1设计过程卡塞格林系统由一个抛物面/双曲面主镜和一个双曲面副镜构成，结构如下图3.1.1随着各种光学系统的要求不同，卡塞格林系统的结构会有一些调整，为了校正场曲、象散和畸变，会在像面前加入几块透镜来校正这些像差。

根据设计要求，视场角2 =1mrad，D=f/10=120mm，经过查找，找到如下结构图：表3.1.1其视场角是0度的，与要求有点差别。

我们将以上结构参数输入到ZEMAX 软件中，同时注意主镜中有个中心开孔，这个开孔在输入的时候可以采用光阑面设置成不透光的形式来隔离掉光线进入光学系统，得到如下的结构。

表3.1.2又根据要求，后截距要求为200mm，但是如图3.1.2所示，与要求不符合图3.1.2对于系统焦距进行设置，如图3.1.3图3.1.3根据前面的视场角和入瞳，在ZEMAX中输入数据，如图3.1.4,3.1.5图3.1.4图3.1.5输入波长：图3.1.6题目要求后截距为200mm，将第二个面的conic设置为-1图3.1.73.2优化过程经过前面设置，卡塞格林系统已初步形成，现在要进行优化与改进。

根据物镜库的数据：图3.2.1打开优化函数，选择模式的方式，进行如下的设置：图3.2.2之后，在Lens Data Editor中将各个镜片的曲率和厚度都改成变量，记住控制最后一个镜片面的曲率半径，让其控制F数的值不变。

表3.2.1得到MTF图如图3.2.3：图3.2.3根据MTF图像，还需要进一步优化。

我们在优化函数表给中加入EFFL、WFNO和MTFA来分别控制系统焦距，F数和MTF值。